DE112006001304B4

DE112006001304B4 - The fuel cell system

Info

Publication number: DE112006001304B4
Application number: DE112006001304T
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Nonobe
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-05-25
Filing date: 2006-05-25
Publication date: 2012-02-16
Anticipated expiration: 2026-05-26
Also published as: KR20080003922A; DE112006001304T5; CN101185188A; CN101185188B; RU2007143534A; WO2006126629A1; RU2364991C1; US20090075135A1; US8349506B2; JP4867199B2; BRPI0610306A2; JP2006331821A; KR100953418B1

Abstract

Brennstoffzellensystem (100), dadurch gekennzeichnet, daß es umfasst:
einen flüssigen Wasserstoff speichernden Speicherabschnitt (6),
eine Wasserstoff als Brenngas nutzende Brennstoffzelle (3),
einen Brennstoff-Versorgungsabschnitt, der einer Anode der Brennstoffzelle Wasserstoffgas zuführt,
wobei das Wasserstoffgas durch Verdampfung des im Speicherabschnitt gespeicherten flüssigen Wasserstoffs erzeugt wird,
ein Wasserstoffkreislaufsystem, das die Anode der Brennstoffzelle einschließt,
einen Abdampfgas-Versorgungsabschnitt, der im Speicherabschnitt entstehendes Abdampfgas dem Wasserstoffkreislaufsystem zuführt; und
eine Heizvorrichtung (15), welche die Temperatur des Speicherabschnitts steuert;
wobei das Wasserstoffkreislaufsystem einen Wasserstoffumwälzabschnitt aufweist, der den Wasserstoff im Wasserstoffkreislaufsystem umwälzt,
wobei die Position des Wasserstoffkreislaufsystems, an der das Abdampfgas aus dem Abdampfgas-Versorgungsabschnitt dem Wasserstoffkreislaufsystem zugeführt wird, stromauf vom Wasserstoffumwälzabschnitt im Wasserstoffkreislaufsystem und stromab von der Anode angeordnet ist.Fuel cell system (100), characterized in that it comprises:
a liquid hydrogen storage section (6),
a fuel cell (3) using hydrogen as fuel gas,
a fuel supply section that supplies hydrogen gas to an anode of the fuel cell,
wherein the hydrogen gas is generated by evaporation of the liquid hydrogen stored in the storage section,
a hydrogen circulation system that includes the anode of the fuel cell,
an exhaust gas supply section that supplies exhaust gas generated in the storage section to the hydrogen circulation system; and
a heater (15) which controls the temperature of the storage section;
wherein the hydrogen circulation system has a hydrogen circulation section that circulates the hydrogen in the hydrogen circulation system,
wherein the position of the hydrogen circulation system at which the exhaust gas is supplied from the exhaust gas supply section to the hydrogen circulation system is located upstream of the hydrogen circulation section in the hydrogen circulation system and downstream of the anode.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Brennstoffzellensystem, das einen Tank für flüssigen Brennstoff besitzt.The present invention relates generally to a fuel cell system having a liquid fuel tank.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Im Allgemeinen ist eine Brennstoffzelle eine Vorrichtung, die elektrische Leistung aus einem Brennstoff, Wasserstoff und Sauerstoff gewinnt. Brennstoffzellen werden in großem Umfang als eine Energieversorgungsvorrichtung entwickelt, weil sie hinsichtlich ihrer Auswirkung auf die Umwelt überlegen sind und einen hohen energetischen Wirkungsgrad erreichen können.In general, a fuel cell is a device that gains electrical power from a fuel, hydrogen, and oxygen. Fuel cells are widely developed as a power supply device because they are superior in environmental impact and can achieve high energy efficiency.

Es gibt untersuchte Verfahren, die Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu versorgen, wie etwa ein Verfahren, das in einem Speicherabschnitt, wie einem Hochdruck-Wasserstofftank, einem Tank für ein Wasserstoff speicherndes Gemisch (hydrogen storing alloy tank) oder einem Tank für flüssigen Wasserstoff gespeicherten Wasserstoff zuführt. Flüssiger Wasserstoff wird als Wasserstoffversorgung für die Brennstoffzelle untersucht, weil flüssiger Wasserstoff eine hohe Energiespeicherungsdichte und eine hohe Effizienz beim Laden des Wasserstoffs in einen Speicherabschnitt aufweist.There are investigated methods of supplying the fuel cell with hydrogen, such as a method supplying hydrogen stored in a storage section such as a high-pressure hydrogen tank, a hydrogen storing alloy tank, or a liquid hydrogen tank , Liquid hydrogen is examined as a hydrogen supply for the fuel cell because liquid hydrogen has a high energy storage density and a high efficiency in charging the hydrogen into a storage section.

Jedoch entsteht möglicherweise wegen einer Verdampfung des flüssigen Wasserstoffs ein Abdampfgas, wenn der Tank für flüssigen Wasserstoff von außen erwärmt wird. Der Druck im Tank für flüssigen Wasserstoff steigt durch Erzeugung des Abdampfgases an. Es ist deshalb erforderlich, das Abdampfgas, falls nötig, abzuführen.However, because of vaporization of the liquid hydrogen, an exhaust gas may be generated when the liquid hydrogen tank is heated from the outside. The pressure in the tank for liquid hydrogen increases by generating the exhaust gas. It is therefore necessary to remove the exhaust gas, if necessary.

Die JP 2003-056799 A offenbart ein Verfahren zur Speicherung des Abdampfgases in einem Druckbehälter und zur Zuleitung des im Druckbehälter gespeicherten Abdampfgases zur Brennstoffzelle beim Start der Brennstoffzelle. Es ist möglich, das Abdampfgas als Brennstoff der Brennstoffzelle einzusetzen.The JP 2003-056799 A discloses a method for storing the exhaust gas in a pressure vessel and for supplying the stored in the pressure vessel boil-off gas to the fuel cell at the start of the fuel cell. It is possible to use the exhaust gas as fuel of the fuel cell.

Ein weiteres Brennstoffzellensystem ist aus der JP 2004 127817 A bekannt. Bei diesem Brennstoffzellensystem wird Wasserstoff aus einem Wasserstofftank über einen Druckregler, ein Strömungssteuerventil und einen Wasserstoffströmungssensor einem Brennstoffzellenstapel zugeführt, wobei Druck und Temperatur am Einlass der Brennstoffzelle erfasst werden.Another fuel cell system is from the JP 2004 127817 A known. In this fuel cell system, hydrogen is supplied from a hydrogen tank via a pressure regulator, a flow control valve, and a hydrogen flow sensor to a fuel cell stack, whereby pressure and temperature at the inlet of the fuel cell are detected.

Die DE 100 21 681 C2 zeigt ein Engergiespeichersystem mit einem ersten Speicher, der mit einer Zuleitung für einen flüssigen Energieträger, insbesondere für flüssigen Wasserstoff, sowie mit einer Entnahmeleitung zum Transportieren des Energieträgers an einen Verbraucher versehen und der mit einem zweiten Speicher zum Speichern von im ersten Speicher verdampftem Engergieträger strömungsverbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Speicher einen Drucktank umfasst, dem eine Einrichtung zur Druckerhöhung strömungstechnisch vorgeschaltet ist.The DE 100 21 681 C2 shows a Engergiespeichersystem with a first memory provided with a supply line for a liquid energy carrier, in particular for liquid hydrogen, as well as with a withdrawal line for transporting the energy carrier to a consumer and which is fluidly connected to a second memory for storing in the first memory evaporated Engergieträger , characterized in that the second memory comprises a pressure tank, which is preceded by a device for increasing the pressure fluidically.

Die DE 103 04 136 A1 zeigt schließlich ein Fahrzeug mit einer Vorrichtung zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische und/oder mechanische Energie, insbesondere Brennstoffzelleneinheit und/oder Verbrennungseinrichtung, wie Diesel- oder Benzinmotor, wobei wenigstens ein sauerstoffhaltiges Ausgangsstoffgemisch vorgesehen ist, vorgeschlagen, wobei vor allem die Effizienz der Energieumwandlung insbesondere zur Schonung der Umwelt gegenüber dem Stand der Technik erhöht ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass eine Trennvorrichtung zum Abtrennen wenigstens eines Sauerstoff angereicherten Fluids von einem Fluidrest des Ausgangsstoffgemisches vorgesehen ist.The DE 103 04 136 A1 Finally, shows a vehicle with a device for the conversion of chemical energy into electrical and / or mechanical energy, in particular fuel cell unit and / or combustion device, such as diesel or gasoline engine, wherein at least one oxygen-containing starting material mixture is provided proposed, in particular the efficiency of energy conversion is particularly increased to protect the environment over the prior art. This is inventively achieved in that a separating device for separating at least one oxygen-enriched fluid is provided by a fluid residue of the starting material mixture.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION

DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEMEPROBLEMS TO BE SOLVED BY THE INVENTION

Bei der Anwendung des durch die JP 2003-056799 A offenbarten Verfahrens bei einem Brennstoffzellensystem ist es jedoch erforderlich, einen Druckbehälter zur Aufnahme des Abdampfgases vorzusehen. Demgemäß wird die Konstruktion des Brennstoffzellensystems kompliziert.In the application of the by the JP 2003-056799 A disclosed method in a fuel cell system, it is necessary to provide a pressure vessel for receiving the exhaust gas. Accordingly, the construction of the fuel cell system becomes complicated.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Brennstoffzellensystem, das in der Lage ist, das Abdampfgas effizient zu nutzen und das eine vereinfachte Konstruktion aufweist.The present invention provides a fuel cell system capable of efficiently utilizing the exhaust gas and having a simplified construction.

MITTEL ZUR LÖSUNG DER PROBLEMEMEANS OF SOLVING THE PROBLEMS

Ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß es einen Speicherabschnitt, eine Brennstoffzelle, einen Brennstoff-Versorgungsabschnitt, ein Wasserstoffkreislaufsystem und einen Abdampfgas-Versorgungsabschnitt umfaßt. Der Speicherabschnitt speichert flüssigen Wasserstoff. Die Brennstoffzelle benutzt Wasserstoff als Brenngas. Der Brennstoff-Versorgungsabschnitt führt einer Anode der Brennstoffzelle Wasserstoffgas zu. Das Wasserstoffgas wird durch Verdampfung des im Speicherabschnitt gespeicherten flüssigen Wasserstoffs erzeugt. Das Wasserstoffkreislaufsystem schließt die Anode der Brennstoffzelle ein. Der Abdampfgas-Versorgungsabschnitt führt im Speicherabschnitt entstehendes Abdampfgas dem Wasserstoffkreislaufsystem zu. Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner eine Heizvorrichtung, welche die Temperatur des Speicherabschnitts steuert, wobei das Wasserstoffkreislaufsystem einen Wasserstoffumwälzabschnitt aufweist, der den Wasserstoff im Wasserstoffkreislaufsystem umwälzt. Eine Position des Wasserstoffkreislaufsystems, an der das Abdampfgas aus dem Abdampfgas-Versorgungsabschnitt dem Wasserstoffkreislaufsystem zugeführt wird, ist stromauf vom Wasserstoffumwälzabschnitt im Wasserstoffkreislaufsystem und stromab von der Anode angeordnet.A fuel cell system according to the present invention is characterized by comprising a storage section, a fuel cell, a fuel supply section, a hydrogen circulation system and an exhaust gas supply section. The storage section stores liquid hydrogen. The fuel cell uses hydrogen as fuel gas. The fuel supply section supplies hydrogen gas to an anode of the fuel cell. The hydrogen gas is generated by evaporation of the liquid hydrogen stored in the storage section. The hydrogen circulation system includes the anode of the fuel cell. The exhaust gas supply section leads in the storage section resulting Abdampfgas the hydrogen circulation system to. The fuel cell system further includes a heater that controls the temperature of the storage portion, the hydrogen circulation system having a hydrogen circulation portion that circulates the hydrogen in the hydrogen circulation system. A position of the hydrogen circulation system where the exhaust gas is supplied from the exhaust gas supply section to the hydrogen circulation system is disposed upstream of the hydrogen circulation section in the hydrogen circulation system and downstream of the anode.

Beim erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem wird der flüssige Wasserstoff im Speicherabschnitt gespeichert. Das durch die Verdampfung des im Speicherabschnitt gespeicherten flüssigen Wasserstoffs erzeugte Wasserstoffgas wird durch den Brennstoff-Versorgungsabschnitt der Anode der Brennstoffzelle zugeführt. Das im Speicherabschnitt erzeugte Abdampfgas wird durch den Abdampfgas-Versorgungsabschnitt dem Wasserstoffkreislaufsystem zugeführt. In diesem Falle wird verhindert, daß das Abdampfgas nach außen abgeführt wird, weil das Abdampfgas in das Wasserstoffkreislaufsystem eingeführt wird. Es ist deshalb nicht erforderlich, eine Behandlungsvorrichtung, wie eine Vorrichtung zur Verdünnung des nach außen abgeführten Abgases, vorzusehen. Demgemäß wird die Konstruktion des Brennstoffzellensystems vereinfacht. Die Brennstoffzelle kann das Abdampfgas als Brennstoff für die Erzeugung elektrischer Leistung benutzen, wenn die Brennstoffzelle elektrische Leistung erzeugt. Es ist deshalb möglich, das Abdampfgas wirkungsvoll zu nutzen. Es ist möglich, das Abdampfgas im Wasserstoffkreislaufsystem einzuschließen, wenn das Brennstoffzellensystem keine elektrische Leistung erzeugt, und die Brennstoffzelle kann das Abdampfgas bei der nächsten Erzeugung von elektrischer Leistung als Brennstoff nutzen. Es ist deshalb möglich, das Abdampfgas wirkungsvoll zu nutzen. Damit ist es möglich, das Absinken des energetischen Wirkungsgrads des Brennstoffzellensystems zu verhindern.In the fuel cell system according to the invention, the liquid hydrogen is stored in the storage section. The hydrogen gas generated by the evaporation of the liquid hydrogen stored in the storage section is supplied to the fuel cell through the fuel supply section of the anode. The exhaust gas generated in the storage section is supplied to the hydrogen circulation system through the exhaust gas supply section. In this case, the exhaust gas is prevented from being discharged to the outside because the exhaust gas is introduced into the hydrogen circulation system. It is therefore not necessary to provide a treatment device such as a device for diluting the exhaust gas discharged to the outside. Accordingly, the construction of the fuel cell system is simplified. The fuel cell may use the exhaust gas as a fuel for generating electric power when the fuel cell generates electric power. It is therefore possible to use the exhaust gas effectively. It is possible to include the exhaust gas in the hydrogen cycle system when the fuel cell system is not generating electric power, and the fuel cell may use the exhaust gas as fuel at the next generation of electric power. It is therefore possible to use the exhaust gas effectively. This makes it possible to prevent the decrease in the energy efficiency of the fuel cell system.

Der Abdampfgas-Versorgungsabschnitt kann ein erstes Ventil aufweisen, das dem Wasserstoffkreislaufsystem das Abdampfgas zuführt, wenn der Druck des Abdampfgases größer ist als ein Schwellenwert. In diesem Falle wird verhindert, daß der Druck im Speicherabschnitt übermäßig ansteigt. Der Abdampfgas-Versorgungsabschnitt kann ein zweites Ventil aufweisen, das einen Rückfluß des Abdampfgases vom Wasserstoffkreislaufsystem in den Speicherabschnitt verhindert. In diesem Falle wird verhindert, daß der im Anodenabgas eingeschlossene Dampf usw. in den Speicherabschnitt einströmt. Es ist deshalb möglich, die Korrosion des ersten Ventils zu verhindern.The exhaust gas supply section may include a first valve that supplies the exhaust gas to the hydrogen circulation system when the pressure of the exhaust gas is greater than a threshold. In this case, the pressure in the storage section is prevented from excessively increasing. The exhaust gas supply section may include a second valve that prevents backflow of the exhaust gas from the hydrogen circulation system into the storage section. In this case, the steam trapped in the anode exhaust gas is prevented from flowing into the storage section. It is therefore possible to prevent the corrosion of the first valve.

Das Wasserstoffkreislaufsystem weist einen Wasserstoffumwälzabschnitt auf, der den Wasserstoff im Wasserstoffkreislaufsystem umwälzt. In diesem Falle ist es möglich, den Mengenstrom des durch den Wasserstoffumwälzabschnitt der Anode zugeführten Wasserstoffs zu steuern. Eine Position des Wasserstoffkreislaufsystems, an der das Abdampfgas aus dem Abdampfgas-Versorgungsabschnitt dem Wasserstoffkreislaufsystem zugeführt wird, kann stromauf vom Wasserstoffumwälzabschnitt im Wasserstoffkreislaufsystem und stromab von der Anode angeordnet sein.The hydrogen circulation system has a hydrogen circulation section that circulates the hydrogen in the hydrogen circulation system. In this case, it is possible to control the mass flow of the hydrogen supplied through the hydrogen circulation section of the anode. A position of the hydrogen circulation system where the exhaust gas is supplied from the exhaust gas supply section to the hydrogen circulation system may be located upstream of the hydrogen circulation section in the hydrogen circulation system and downstream of the anode.

Das Wasserstoffkreislaufsystem kann einen Auslaßabschnitt aufweisen, der stromauf vom Wasserstoffumwälzabschnitt und stromab von der Anode angeordnet ist und ein Gas im Wasserstoffkreislaufsystem abführt. In diesem Falle ist es möglich, Stickstoff usw. beim Einströmen von der Kathode in die Anode abzuführen. Eine Position des Wasserstoffkreislaufsystems, an der das Abdampfgas aus dem Abdampfgas-Versorgungsabschnitt dem Wasserstoffkreislaufsystem zugeführt wird, kann stromauf vom Wasserstoffumwälzabschnitt und stromab vom Auslaßabschnitt angeordnet sein. In diesem Falle ist es möglich, ein Ausströmen von Wasserstoff aus dem Auslaßabschnitt zu verhindern.The hydrogen circulation system may include an outlet portion disposed upstream of the hydrogen circulation section and downstream of the anode, and discharging a gas in the hydrogen circulation system. In this case, it is possible to discharge nitrogen, etc., from the cathode to the anode as it flows. A position of the hydrogen circulation system where the exhaust gas from the exhaust gas supply section is supplied to the hydrogen circulation system may be located upstream of the hydrogen circulation section and downstream of the outlet section. In this case, it is possible to prevent leakage of hydrogen from the outlet portion.

Eine Position des Wasserstoffkreislaufsystems, an der das Abdampfgas aus dem Abdampfgas-Versorgungsabschnitt dem Wasserstoffkreislaufsystem zugeführt wird, kann sich in der Mitte der Anode befinden. In diesem Falle wird verhindert, daß sich auf der Auslaßseite der Anode die Dichte des Wasserstoffs verringert. Demgemäß wird die elektrische Leistung in jedem Bereich der Brennstoffzelle im wesentlichen gleich erzeugt.A position of the hydrogen circulation system where the exhaust gas is supplied from the exhaust gas supply section to the hydrogen circulation system may be in the center of the anode. In this case, the density of hydrogen on the outlet side of the anode is prevented from being lowered. Accordingly, the electric power in each region of the fuel cell is generated substantially the same.

Das Brennstoffzellensystem kann weiter einen Druckfeststellungsabschnitt umfassen, der den Druck im Wasserstoffkreislaufsystem ermittelt, und einen Ermittlungsabschnitt, der feststellt, ob das Abdampfgas dem Wasserstoffkreislaufsystem zugeführt wird, wenn ein vom Druckfeststellungsabschnitt festgestellter Wert größer ist als ein Schwellenwert. In diesem Falle wird festgestellt, ob das Abdampfgas im Speicherabschnitt erzeugt wird. Der Druckfeststellungsabschnitt kann stromab vom Wasserstoffumwälzabschnitt und stromauf von der Anode vorgesehen sein.The fuel cell system may further include a pressure detecting section that detects the pressure in the hydrogen cycle system and a determining section that determines whether the exhaust gas is supplied to the hydrogen circulation system when a value detected by the pressure detecting section is greater than a threshold. In this case, it is determined whether the exhaust gas is generated in the storage section. The pressure detecting section may be provided downstream of the hydrogen circulation section and upstream of the anode.

Das Brennstoffzellensystem kann weiter eine Steuerung für den Umwälzmengenstrom des Wasserstoffs umfassen, die den Mengenstrom des im Wasserstoffkreislaufsystem strömenden Wasserstoffs steuert. In diesem Falle ist es möglich, mit der Steuerung für den Umwälzmengenstrom des Wasserstoffs den Mengenstrom des der Anode zugeführten Wasserstoffs zu ermitteln.The fuel cell system may further include a controller for the recirculation flow rate of the hydrogen, which controls the mass flow of the hydrogen flowing in the hydrogen circulation system. In this case, it is possible to use the controller for the circulating flow of hydrogen to determine the mass flow of the hydrogen supplied to the anode.

Der Wasserstoffumwälzabschnitt kann eine Wasserstoffpumpe sein. Die Steuerung für den Umwälzmengenstrom des Wasserstoffs kann die Drehzahl der Wasserstoffpumpe steuern, wenn der Ermittlungsabschnitt feststellt, daß das Abdampfgas dem Wasserstoffkreislaufsystem zugeführt wird. In diesem Falle ist es selbst dann, wenn das Abdampfgas dem Wasserstoffkreislaufsystem zugeleitet wird, möglich, mit der Steuerung der Drehzahl für die Wasserstoffpumpe der Anode eine für die elektrische Erzeugung in der Brennstoffzelle erforderliche Wasserstoffmenge zuzuführen. Die Steuerung für den Umwälzmengenstrom des Wasserstoffs kann die Wasserstoffpumpe derart steuern, daß die Drehzahl der Wasserstoffpumpe verringert wird, wenn der Ermittlungsabschnitt feststellt, daß das Abdampfgas dem Wasserstoffkreislaufsystem zugeführt wird. In diesem Falle wird verhindert, daß der Brennstoffzelle ein übermäßiger Mengenstrom Wasserstoff zugeführt wird. The hydrogen circulation section may be a hydrogen pump. The control of the circulation flow rate of the hydrogen may control the rotation speed of the hydrogen pump when the determination section determines that the exhaust gas is supplied to the hydrogen circulation system. In this case, even if the exhaust gas is supplied to the hydrogen circulation system, it is possible to supply an amount of hydrogen required for electric generation in the fuel cell by controlling the number of revolutions for the hydrogen pump of the anode. The control for the circulating flow rate of the hydrogen may control the hydrogen pump so as to reduce the rotational speed of the hydrogen pump when the determining section determines that the exhaust gas is supplied to the hydrogen circulation system. In this case, it is prevented that the fuel cell, an excessive flow rate of hydrogen is supplied.

Das Brennstoffzellensystem kann einen Störungserkennungsabschnitt umfassen, der feststellt, daß der Speicherabschnitt gestört ist, wenn der von vom Druckfeststellungsabschnitt festgestellte Wert über eine gegebene Zeit hinaus größer ist als der Schwellenwert. In diesem Falle wird nicht festgestellt, daß der Speicherabschnitt gestört ist, wenn für die gegebene Zeit der durch den Druckfeststellungsabschnitt festgestellte Wert nicht größer ist als der Schwellenwert. Es wird deshalb festgestellt, ob das Abdampfgas kurzzeitig oder kontinuierlich erzeugt wird.The fuel cell system may include a failure detection section that determines that the storage section is disturbed when the value detected by the pressure detection section is greater than the threshold value for a given time. In this case, it is not determined that the storage portion is disturbed if, for the given time, the value detected by the pressure detecting portion is not larger than the threshold value. It is therefore determined whether the Abdampfgas is generated briefly or continuously.

Der Speicherabschnitt kann einen Flüssigkeitsverdampfungsabschnitt aufweisen. Das Brennstoffzellensystem kann eine Steuerung aufweisen, die eine Aktion des Flüssigkeitsverdampfungsabschnitts steuert und die Aktion des Flüssigkeitsverdampfungsabschnitts stoppt, wenn der Störungserkennungsabschnitt feststellt, daß der Speicherabschnitt gestört ist. In diesem Falle wird verhindert, daß ein großer Mengenstrom Wasserstoff verdampft, und ein unerwarteter Wasserstoffverbrauch wird verhindert.The storage section may include a liquid evaporation section. The fuel cell system may include a controller that controls an action of the liquid evaporating section and stops the action of the liquid evaporating section when the malfunction detecting section determines that the storing section is disturbed. In this case, a large flow of hydrogen is prevented from evaporating and unexpected hydrogen consumption is prevented.

WIRKUNG DER ERFINDUNGEFFECT OF THE INVENTION

Infolge der vorliegenden Erfindung ist es nicht erforderlich, eine Behandlungsvorrichtung, wie eine Verdünnungsvorrichtung, für das nach außen abgeführte Abdampfgas vorzusehen. Demgemäß wird die Konstruktion des Brennstoffzellensystems vereinfacht. Der energetische Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems wird verbessert.As a result of the present invention, it is not necessary to provide a treatment device, such as a dilution device, for the exhaust gas discharged to the outside. Accordingly, the construction of the fuel cell system is simplified. The energy efficiency of the fuel cell system is improved.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

1 zeigt ein Schaltbild der Gesamtanordnung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems; 1 shows a circuit diagram of the overall arrangement of a first embodiment of the fuel cell system according to the invention;

2 zeigt den von einem Druckfühler festgestellten Gasdruck; 2 shows the gas pressure detected by a pressure sensor;

3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Steuerungsablaufs bei einer Steuerung in dem Falle, in dem das Abdampfgas einer Rohrleitung zugeführt wird; und 3 FIG. 12 is a flowchart showing an exemplary control flow in a control in the case where the exhaust gas is supplied to a pipeline; FIG. and

4 zeigt ein Schaltbild der Gesamtanordnung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. 4 shows a circuit diagram of the overall arrangement of a second embodiment of the fuel cell system according to the invention.

BESTE WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGBEST WAYS FOR CARRYING OUT THE INVENTION

(Erste Ausführungsform)First Embodiment

Die 1 zeigt ein Schaltbild der Gesamtanordnung einer ersten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100. Wie in 1 gezeigt, besitzt das Brennstoffzellensystem 100 eine Luftpumpe 1, eine Befeuchtungsvorrichtung 2, eine Brennstoffzelle 3, Drucksteuerventile 4 und 8, eine Verdünnungsvorrichtung 5, einen Tank 6 für flüssigen Wasserstoff, ein Hauptventil 7, eine Wasserstoffpumpe 9, Druckfühler 10 und 11, ein Wasserstoffauslaßventil 12, ein Rückschlagventil 13, ein Überdruckventil 14, eine Heizvorrichtung 15 und eine Steuerung 20. Die Brennstoffzelle 3 besitzt eine Kathode 3a und eine Anode 3b.The 1 shows a circuit diagram of the overall arrangement of a first embodiment of the fuel cell system 100 , As in 1 shown owns the fuel cell system 100 an air pump 1 , a moistening device 2 , a fuel cell 3 , Pressure control valves 4 and 8th , a dilution device 5 , a tank 6 for liquid hydrogen, a main valve 7 , a hydrogen pump 9 , Pressure sensor 10 and 11 , a hydrogen outlet valve 12 , a check valve 13 , a pressure relief valve 14 , a heater 15 and a controller 20 , The fuel cell 3 has a cathode 3a and an anode 3b ,

Die Luftpumpe 1 ist über eine Leitung 101 mit einem Einlaß der Kathode 3a der Brennstoffzelle 3 verbunden. Die Leitung 101 führt durch die Befeuchtungsvorrichtung 2. Ein Auslaß der Kathode 3a ist über eine Leitung 102 mit der Verdünnungsvorrichtung 5 verbunden. Die Leitung 102 führt über das Drucksteuerventil 4.The air pump 1 is over a line 101 with an inlet of the cathode 3a the fuel cell 3 connected. The administration 101 passes through the moistening device 2 , An outlet of the cathode 3a is over a line 102 with the dilution device 5 connected. The administration 102 leads through the pressure control valve 4 ,

Die Heizvorrichtung 15 ist im Tank 6 für flüssigen Wasserstoff aufgenommen. Der Tank 6 für flüssigen Wasserstoff ist über Leitungen 103 und 104 mit einem Einlaß der Anode 3b der Brennstoffzelle 3 verbunden. Die Leitung 103 führt vom Tank 6 für flüssigen Wasserstoff aus aufeinanderfolgend über das Hauptventil 7 und das Überdruckventil 8. Ein erstes Ende der Leitung 104 ist mit der Leitung 103 verbunden. Ein zweites Ende der Leitung 104 ist mit dem Einlaß der Anode 3b verbunden. Ein Auslaß der Anode 3b ist über eine Leitung 105 mit der Leitung 104 verbunden.The heater 15 is in the tank 6 taken up for liquid hydrogen. The Tank 6 for liquid hydrogen is via lines 103 and 104 with an inlet of the anode 3b the fuel cell 3 connected. The administration 103 leads from the tank 6 for liquid hydrogen from successively via the main valve 7 and the pressure relief valve 8th , A first end of the line 104 is with the line 103 connected. A second end of the line 104 is with the inlet of the anode 3b connected. An outlet of the anode 3b is over a line 105 with the line 104 connected.

Die Leitung 105 führt über die Wasserstoffpumpe 9. In der Leitung 105 ist zwischen der Wasserstoffpumpe 9 und dem Auslaß der Anode 3b der Druckfühler 10 vorgesehen. Eine Leitung 107 verbindet die Mitte der Leitung 105 und die Verdünnungsvorrichtung 5. Die Leitung 105 steht mit der Leitung 107 an einem Punkt zwischen dem Auslaß der Anode 3b und dem Druckfühler 10 in Verbindung. Die Leitung 107 führt über das Wasserstoffauslaßventil 12. Die Verdünnungsvorrichtung 5 führt nach außen.The administration 105 leads over the hydrogen pump 9 , In the line 105 is between the hydrogen pump 9 and the outlet of the anode 3b of the pressure sensor 10 intended. A line 107 connects the middle of the pipe 105 and the dilution device 5 , The administration 105 stands with the line 107 at a point between the outlet of the anode 3b and the pressure sensor 10 in connection. The administration 107 leads through the hydrogen outlet valve 12 , The dilution device 5 leads to the outside.

Der Tank 6 für flüssigen Wasserstoff ist über eine Leitung 106 mit der Mitte der Leitung 105 verbunden. Die Leitung 106 führt vom Tank 6 für flüssigen Wasserstoff aus aufeinanderfolgend über das Überdruckventil 14 und das Rückschlagventil 13. Die Leitung 105 ist mit der Leitung 106 an einem Punkt zwischen dem Druckfühler 10 und der Wasserstoffpumpe 9 verbunden.The Tank 6 for liquid hydrogen is via a pipe 106 with the middle of the pipe 105 connected. The administration 106 leads from the tank 6 for liquid hydrogen from successively via the pressure relief valve 14 and the check valve 13 , The administration 105 is with the line 106 at a point between the pressure sensor 10 and the hydrogen pump 9 connected.

Die Steuerung 20 besitzt eine Zentraleinheit (CPU), einen Festwertspeicher (ROM) usw. Die Steuerung 20 empfängt die Ergebnisse aus den Druckfühlern 10 und 11 und steuert die Luftpumpe 1, die Befeuchtungsvorrichtung 2, die Drucksteuerventile 4 und 8, das Hauptventil 7, die Wasserstoffpumpe 9, das Wasserstoffauslaßventil 12 und die Heizvorrichtung 15.The control 20 has a central processing unit (CPU), a read-only memory (ROM), etc. The controller 20 receives the results from the pressure sensors 10 and 11 and controls the air pump 1 , the moistening device 2 , the pressure control valves 4 and 8th , the main valve 7 , the hydrogen pump 9 , the hydrogen outlet valve 12 and the heater 15 ,

Nun folgt die Beschreibung einer Aktion des Brennstoffzellensystems 100. Die Luftpumpe 1 empfängt einen Befehl von der Steuerung 20 und liefert über die Leitung 101 eine erforderliche Menge Luft an die Befeuchtungsvorrichtung 2. Die Befeuchtungsvorrichtung 2 empfängt einen Befehl von der Steuerung 20 und steuert die Luftfeuchtigkeit. Die Luft, deren Feuchtigkeit von der Befeuchtungsvorrichtung 2 gesteuert wurde, wird über die Leitung 101 an die Kathode 3a geliefert.Now follows the description of an action of the fuel cell system 100 , The air pump 1 receives a command from the controller 20 and delivers over the wire 101 a required amount of air to the humidifier 2 , The moistening device 2 receives a command from the controller 20 and controls the humidity. The air, its moisture from the humidifier 2 is controlled, over the line 101 to the cathode 3a delivered.

In der Brennstoffzelle 3 wird von den an der später beschriebenen Anode 3b umgewandelten Protonen und dem in der der Kathode 3a zugeführten Luft enthaltenen Sauerstoff Wasser und elektrische Energie erzeugt. Das so erzeugte Wasser formt sich durch die Reaktionswärme der Protonen und des Sauerstoffs in Wasserdampf um. Der an der Kathode 3a erzeugte Wasserdampf und die nicht mit den Protonen reagierende Luft werden über die Leitung 102 als Kathodenabgas der Verdünnungsvorrichtung 5 zugeführt. Das Drucksteuerventil 4 empfängt einen Befehl von der Steuerung 20 und steuert den Druck des der Verdünnungsvorrichtung 5 von der Kathode 3a zugeführten Kathodenabgases.In the fuel cell 3 is from those at the later described anode 3b converted protons and that in the cathode 3a supplied air contained oxygen water and electricity generated. The water thus generated is transformed into steam by the heat of reaction of the protons and oxygen. The at the cathode 3a generated water vapor and the non-proton-reactive air are transferred via the line 102 as cathode exhaust gas of the dilution device 5 fed. The pressure control valve 4 receives a command from the controller 20 and controls the pressure of the dilution device 5 from the cathode 3a supplied cathode exhaust gas.

Der Tank 6 für flüssigen Wasserstoff ist mit einem Wärmeisoliermaterial bedeckt und speichert flüssigen Wasserstoff als Brennstoff für die Brennstoffzelle 3. Die Heizvorrichtung 15 empfängt einen Befehl von der Steuerung 20 und steuert die Temperatur des Tanks 6 für flüssigen Wasserstoff. Deshalb verdampft die erforderliche Menge des flüssigen Wasserstoffs. Der im Tank 6 für flüssigen Wasserstoff verdampfte Wasserstoff wird über die Leitungen 103 und 104 der Anode 3b zugeführt. Das Hauptventil 7 empfängt einen Befehl von der Steuerung 20 und öffnet und schließt die Leitung 103. Deshalb kann die Steuerung 20 die Versorgung der Anode 3b mit dem im Tank 6 für flüssigen Wasserstoff verdampften Wasserstoff steuern. Das Drucksteuerventil 8 empfängt einen Befehl von der Steuerung 20 und steuert den Druck des der der Anode 3b vom Tank 6 für flüssigen Wasserstoff zugeführten Wasserstoffs. Deshalb kann die Steuerung 20 die Menge des der Anode 3b aus dem Tank 6 für flüssigen Wasserstoff zugeführten Wasserstoffs steuern.The Tank 6 for liquid hydrogen is covered with a heat insulating material and stores liquid hydrogen as fuel for the fuel cell 3 , The heater 15 receives a command from the controller 20 and controls the temperature of the tank 6 for liquid hydrogen. Therefore, the required amount of liquid hydrogen evaporates. The one in the tank 6 Hydrogen vaporized for liquid hydrogen is delivered through the pipes 103 and 104 the anode 3b fed. The main valve 7 receives a command from the controller 20 and opens and closes the line 103 , That's why the controller 20 the supply of the anode 3b with the in the tank 6 controlling hydrogen vaporized for liquid hydrogen. The pressure control valve 8th receives a command from the controller 20 and controls the pressure of the anode 3b from the tank 6 for liquid hydrogen supplied hydrogen. That's why the controller 20 the amount of the anode 3b from the tank 6 control hydrogen supplied to liquid hydrogen.

An der Anode 3b wird der Wasserstoff in Protonen umgeformt. Der nicht in Protonen umgeformte Wasserstoff wird über die Leitung 105 als Anodenabgas der Wasserstoffpumpe 9 zugeführt. Die Wasserstoffpumpe 9 ist von einer Bauart wie etwa eine Schnecken- oder Schraubenpumpe und liefert das Anodenabgas über die Leitungen 105 und 104 an die Anode 3b. Der Druckfühler 10 stellt den Druck des in der Leitung 105 strömenden Anodenabgases fest und übermittelt das festgestellte Ergebnis an die Steuerung 20. Der Druckfühler 11 stellt den Druck des durch die Wasserstoffpumpe 9 komprimierten Anodenabgases fest und übermittelt das festgestellte Ergebnis an die Steuerung 20.At the anode 3b the hydrogen is transformed into protons. The non-proton hydrogen is transferred via the line 105 as anode exhaust gas of the hydrogen pump 9 fed. The hydrogen pump 9 is of a type such as a screw or screw pump and provides the anode exhaust gas over the lines 105 and 104 to the anode 3b , The pressure sensor 10 puts the pressure of the in line 105 flowing anode exhaust gas and transmits the determined result to the controller 20 , The pressure sensor 11 represents the pressure of the hydrogen pump 9 compressed anode exhaust gas and transmits the determined result to the controller 20 ,

Das Wasserstoffauslaßventil 12 empfängt einen Befehl von der Steuerung 20 und öffnet und schließt die Leitung 107. Deshalb steuert die Steuerung 20 das Abblasen des in der Leitung 105 strömenden Anodenabgases zur Verdünnungsvorrichtung 5. In diesem Falle ist es möglich, von der Kathode 3a in die Anode 3b strömenden Stickstoff und dergleichen auszublasen. Die Verdünnungsvorrichtung 5 oxidiert das Kathodenabgas von der Kathode 3a und das Anodenabgas von der Anode 3b und führt das oxidierte Gas nach der Außenseite des Brennstoffzellensystems 100 ab.The hydrogen outlet valve 12 receives a command from the controller 20 and opens and closes the line 107 , That's why the controller controls 20 the blowing off of the pipe 105 flowing anode exhaust gas to the dilution device 5 , In this case, it is possible from the cathode 3a into the anode 3b to blow out flowing nitrogen and the like. The dilution device 5 oxidizes the cathode exhaust gas from the cathode 3a and the anode exhaust gas from the anode 3b and guides the oxidized gas to the outside of the fuel cell system 100 from.

Das Überdruckventil 14 führt den Wasserstoff im Tank 6 für flüssigen Wasserstoff als Abdampfgas in die Leitung 106 ein, wenn der Druck im Tank 6 für flüssigen Wasserstoff über dem vorgegebenen Druck liegt. Damit wird verhindert, daß der Druck im Tank 6 für flüssigen Wasserstoff übermäßig hoch wird. Der in die Leitung 106 eingeleitete Wasserstoff wird der Leitung 105 zugeführt. Das Rückschlagventil 13 gestattet dem vom Tank 6 für flüssigen Wasserstoff in die Leitung 105 strömenden Wasserstoff den Weg in die Leitung 105 und verhindert, daß Wasserstoff aus der Leitung 105 in den Tank 6 für flüssigen Wasserstoff strömt. Es ist deshalb möglich, die durch im Anodenabgas enthaltenen Dampf usw. verursachte Korrosion des Rückschlagventils 14 zu begrenzen.The pressure relief valve 14 carries the hydrogen in the tank 6 for liquid hydrogen as Abdampfgas in the line 106 one when the pressure in the tank 6 for liquid hydrogen is above the predetermined pressure. This prevents the pressure in the tank 6 becomes excessively high for liquid hydrogen. The in the line 106 Hydrogen introduced is the conduit 105 fed. The check valve 13 allows that from the tank 6 for liquid hydrogen in the pipe 105 flowing hydrogen the way into the pipe 105 and prevents hydrogen from the line 105 in the tank 6 flows for liquid hydrogen. It is therefore possible to cause the corrosion of the check valve caused by steam contained in the anode exhaust gas, etc. 14 to limit.

Die durch das verdampfte Gas verursachte Temperaturabsenkung der Brennstoffzelle 3 wird dadurch behindert, daß das Abdampfgas der Anode 3b über die Leitungen 105 und 104 zugeführt wird. Deshalb ist das Brennstoffzellensystem 10 gemäß der Ausführungsform leistungsfähiger, wenn die Brennstoffzelle 3 elektrische Leistung erzeugt.The temperature drop of the fuel cell caused by the vaporized gas 3 becomes hindered by the fact that the exhaust gas of the anode 3b over the wires 105 and 104 is supplied. That is why the fuel cell system 10 according to the embodiment more efficient when the fuel cell 3 generates electrical power.

Im Brennstoffzellensystem 100 gemäß der Ausführungsform bilden die Leitungen 104 und 105 und die Anode 3b einen abgedichteten Raum. Und es wird verhindert, daß das Abdampfgas nach außen abgeführt wird. Deshalb ist es nicht erforderlich, eine weitere Behandlungsvorrichtung, wie eine Verdünnungsvorrichtung, für das nach außen entweichende Abdampfgas vorzusehen. Demgemäß ist die Konstruktion des Brennstoffzellensystems 100 vereinfacht. Das Volumen des von den Leitungen 104 und 105 und der Anode 3b gebildeten, abgedichteten Raums kann beim Entwurf des Brennstoffzellensystems auf einen bevorzugten Wert eingestellt werden. Das Volumen bei der Ausführungsform beträgt 3 bis 4 Liter.In the fuel cell system 100 According to the embodiment, the lines form 104 and 105 and the anode 3b a sealed room. And it is prevented that the exhaust gas is discharged to the outside. Therefore, it is not necessary to provide another treatment device, such as a dilution device, for the exhaust gas escaping to the outside. Accordingly, the construction of the fuel cell system 100 simplified. The volume of the pipes 104 and 105 and the anode 3b formed sealed space can be set in the design of the fuel cell system to a preferred value. The volume in the embodiment is 3 to 4 liters.

Die Brennstoffzelle 3 kann das Abdampfgas als Brennstoff für die Erzeugung elektrischer Leistung benutzen, wenn die Brennstoffzelle 3 elektrische Leistung erzeugt. In diesem Falle steuert die Steuerung 20 die Wasserstoffpumpe 9 derart, daß die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 9 reduziert wird. Es ist deshalb möglich, eine unerwartete Aktion der Wasserstoffpumpe 9 und einen unvorhergesehenen Verbrauch von flüssigem Wasserstoff zu behindern. Demgemäß wird der energetische Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 100 verbessert. Einzelheiten werden später erwähnt.The fuel cell 3 can use the Abdampfgas as fuel for the generation of electrical power when the fuel cell 3 generates electrical power. In this case, the controller controls 20 the hydrogen pump 9 such that the speed of the hydrogen pump 9 is reduced. It is therefore possible an unexpected action of the hydrogen pump 9 and hinder an unforeseen consumption of liquid hydrogen. Accordingly, the energy efficiency of the fuel cell system 100 improved. Details will be mentioned later.

Es ist möglich, daß das Abdampfgas in dem von den Leitungen 104 und 105 und der Anode 3b gebildeten, abgedichteten Raum abgeschlossen werden kann, wenn die Brennstoffzelle 3 keine elektrische Leistung erzeugt, und die Brennstoffzelle 3 kann das Abdampfgas als Brennstoff bei der nächsten Erzeugung elektrischer Leistung benutzen. Es ist deshalb möglich, den unvorhergesehenen Verbrauch von flüssigem Wasserstoff zu verhindern. Demgemäß ist es möglich, die Verringerung des energetischen Wirkungsgrads des Brennstoffzellensystems 100 zu verhindern.It is possible that the exhaust gas in the from the lines 104 and 105 and the anode 3b formed, sealed space can be completed when the fuel cell 3 no electric power generated, and the fuel cell 3 may use the exhaust gas as fuel in the next generation of electric power. It is therefore possible to prevent the unforeseen consumption of liquid hydrogen. Accordingly, it is possible to reduce the energy efficiency of the fuel cell system 100 to prevent.

Es ist möglich, durch eine Steuerung der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 9 die der Anode 3b zugeführte Wasserstoffmenge zu steuern, weil das Abdampfgas der Leitung 105 an der in Bezug auf die Wasserstoffpumpe 9 stromauf gelegenen Seite zugeführt wird.It is possible by controlling the speed of the hydrogen pump 9 the anode 3b to control supplied amount of hydrogen, because the exhaust gas of the line 105 at the in relation to the hydrogen pump 9 upstream side is supplied.

Bei der Ausführungsform liefert die Wasserstoffpumpe 9 das Abdampfgas an die Anode 3b. Andere Versorgungsabschnitte, wie ein veränderlicher Ejektor, können statt der Wasserstoffpumpe 9 vorgesehen sein. Die Brennstoffzelle 3 ist nicht auf den Fall der Ausführungsform beschränkt, wenn die Brennstoffzelle 3 Wasserstoffgas als Brennstoff benutzt. Ein weiterer Druckfühler kann in der Leitung 106 stromauf vom Rückschlagventil 13 verwendet werden und das Einströmen des Abdampfgases feststellen.In the embodiment, the hydrogen pump provides 9 the exhaust gas to the anode 3b , Other supply sections, such as a variable ejector, may be used instead of the hydrogen pump 9 be provided. The fuel cell 3 is not limited to the case of the embodiment when the fuel cell 3 Used hydrogen gas as fuel. Another pressure sensor may be in the pipe 106 upstream of the check valve 13 be used and determine the inflow of Abdampfgases.

Der Druckfühler stellt bei der Ausführungsform das Einströmen des Abdampfgases in die Leitung 106 fest. Ein Durchflußmesser kann bei der Ausführungsform das Einströmen des Abdampfgases in die Leitung 106 feststellen. In diesem Falle kann der Durchflußmesser auf der stromauf gelegenen Seite des Rückschlagventils 13 vorgesehen sein, oder der Durchflußmesser kann anstelle des Druckfühlers 11 eingebaut sein, und der Durchflußmesser kann das Einströmen des Abdampfgases in die Leitung 106 feststellen.The pressure sensor in the embodiment, the inflow of Abdampfgases in the line 106 firmly. A flow meter, in the embodiment, the inflow of the exhaust gas into the conduit 106 determine. In this case, the flow meter on the upstream side of the check valve 13 be provided, or the flow meter may instead of the pressure sensor 11 be installed, and the flow meter can be the influx of the exhaust gas into the line 106 determine.

Es folgt nun eine Beschreibung des Drucks des in die Leitung 105 einströmenden Gases. Die 2 zeigt den vom Druckfühler 11 ermittelten Gasdruck. Die vertikale Achse der 2 zeigt den durch den Druckfühler 11 ermittelten Gasdruck an. Die horizontale Achse der 1 zeigt die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 9 an.Now follows a description of the pressure of the in the line 105 inflowing gas. The 2 shows the pressure sensor 11 determined gas pressure. The vertical axis of the 2 shows that through the pressure sensor 11 determined gas pressure. The horizontal axis of the 1 shows the speed of the hydrogen pump 9 at.

Wie durch eine durchgezogene Line X in 2 gezeigt, steigt der Gasdruck in der Leitung 105 entsprechend der Zunahme der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 9 an. Die durchgezogene Linie Y zeigt die theoretische Zahl an, die aus der Wasserstoffmenge, die für die elektrische Erzeugung der Brennstoffzelle 3 erforderlich ist, und der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 9 berechnet ist. Demgemäß ist die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 9 proportional dem Gasdruck in der Leitung 105 in der durchgezogenen Linie X. Jedoch schwankt, wie in einer gestrichelten Linie Y in 2 gezeigt ist, der Gasdruck in der Leitung 105 u. a. wegen Schwankungen der Komprimierungseffizienz der Wasserstoffpumpe 9. Eine punktierte Linie Z in 2 zeigt ein Maximum des Gasdrucks in der Leitung 105 berechnet in Bezug auf die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 9, wobei die Streuung der Komprimierungseffizienz der Wasserstoffpumpe 9 in Betracht gezogen wird. As by a solid line X in 2 shown, the gas pressure in the pipe increases 105 according to the increase in the speed of the hydrogen pump 9 at. The solid line Y indicates the theoretical number resulting from the amount of hydrogen used for the electric generation of the fuel cell 3 is required, and the speed of the hydrogen pump 9 is calculated. Accordingly, the rotational speed of the hydrogen pump 9 proportional to the gas pressure in the pipe 105 in the solid line X. However, as in a broken line Y in FIG 2 shown is the gas pressure in the pipe 105 among other things because of fluctuations in the compression efficiency of the hydrogen pump 9 , A dotted line Z in 2 shows a maximum of the gas pressure in the pipe 105 calculated in relation to the speed of the hydrogen pump 9 , wherein the dispersion of the compression efficiency of the hydrogen pump 9 is considered.

Nun folgt eine Beschreibung einer Aktion der Steuerung 20 in einem Falle, in dem das Abdampfgas der Leitung 105 zugeführt wird. Die 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Steuerungsablaufs bei einer Steuerung in dem Falle, in dem das Abdampfgas einer Rohrleitung zugeführt wird. Die Steuerung 20 wiederholt die Aktion nach einem gegebenen Intervall (beispielsweise wenige Millisekunden).Now follows a description of an action of the controller 20 in a case where the exhaust gas of the line 105 is supplied. The 3 FIG. 12 is a flowchart showing an example of a control procedure in a control in the case where the exhaust gas is supplied to a pipeline. FIG. The control 20 repeats the action after a given interval (for example, a few milliseconds).

Wie in 3 gezeigt, stellt die Steuerung 20 fest, ob der Gasdruck in der Leitung 105 größer ist als ein gegebener Druck (Schritt S1). Insbesondere kann die Steuerung 20 diese Feststellung auf der Basis des Ermittlungsergebnisses des Druckfühlers 11 und der gepunkteten Linie in 2 treffen.As in 3 shown, represents the controller 20 determines if the gas pressure in the pipe 105 is greater than a given pressure (step S1). Especially can the controller 20 this finding based on the result of the detection of the pressure sensor 11 and the dotted line in 2 to meet.

Wenn beim Schritt S1 festgestellt wird, daß der Gasdruck in der Leitung 105 größer ist als der gegebene Druck, steuert die Steuerung 20 die Wasserstoffpumpe 9 derart, daß die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 9 sinkt (Schritt S2). Danach wartet die Steuerung 20 während einer gegebenen Zeitspanne, beispielsweise 5 Sekunden (Schritt S3). Dann stellt die Steuerung 20 fest, ob der Gasdruck in der Leitung 105 größer ist als ein gegebener Druck (Schritt S4). Insbesondere kann die Steuerung 20 diese Feststellung auf der Basis des Ermittlungsergebnisses des Druckfühlers 11 und der gepunkteten Linie Z in 2 treffen.If it is determined in step S1 that the gas pressure in the line 105 greater than the given pressure controls the controller 20 the hydrogen pump 9 such that the speed of the hydrogen pump 9 decreases (step S2). After that, the controller waits 20 during a given period of time, for example 5 seconds (step S3). Then put the controller 20 determines if the gas pressure in the pipe 105 is greater than a given pressure (step S4). In particular, the controller 20 this finding based on the result of the detection of the pressure sensor 11 and the dotted line Z in 2 to meet.

Wenn beim Schritt S4 festgestellt wird, daß der Gasdruck in der Leitung 105 größer ist als der gegebene Druck, stoppt die Steuerung 20 die Energiezufuhr zur Heizvorrichtung 15 (Schritt S5). Danach beginnt die Steuerung 20 die Schrittfolge wieder mit dem Schritt S1.If it is determined in step S4 that the gas pressure in the line 105 greater than the given pressure, the controller stops 20 the power supply to the heater 15 (Step S5). Then the controller starts 20 the sequence of steps again with the step S1.

Wenn beim Schritt S4 nicht festgestellt wird, daß der Gasdruck in der Leitung 105 größer ist als der gegebene Druck, steuert die Steuerung 20 die Wasserstoffpumpe 9 derart, daß sie mit einer üblichen Drehzahl läuft (Schritt S6). Danach beginnt die Steuerung 20 die Schrittfolge wieder mit dem Schritt S1.If it is not determined in step S4 that the gas pressure in the line 105 greater than the given pressure controls the controller 20 the hydrogen pump 9 such that it runs at a common speed (step S6). Then the controller starts 20 the sequence of steps again with the step S1.

Wenn beim Schritt S1 nicht festgestellt wird, daß der Gasdruck in der Leitung 105 größer ist als der gegebene Druck, beginnt die Steuerung 20 die Schrittfolge wieder mit dem Schritt S1.If it is not determined at step S1 that the gas pressure in the line 105 greater than the given pressure, the control starts 20 the sequence of steps again with the step S1.

Wie oben erwähnt, wird dem obigen Ablaufdiagramm folgend festgestellt, ob das Abdampfgas in die Leitung 105 einströmt. Wenn das Abdampfgas in die Leitung 105 einströmt, wird die übermäßige Zufuhr von Wasserstoff zur Brennstoffzelle 3 durch die Verringerung der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 9 verhindert. Deshalb wird ein unvorhergesehener Verbrauch von Wasserstoff und die unvorhergesehene Aktion der Wasserstoffpumpe 9 verhindert. Demgemäß wird der Systemwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 100 verbessert.As mentioned above, following the above flowchart, it is determined whether the exhaust gas enters the duct 105 flows. When the exhaust gas in the pipe 105 inflows, the excessive supply of hydrogen to the fuel cell 3 by reducing the speed of the hydrogen pump 9 prevented. Therefore, an unforeseen consumption of hydrogen and the unforeseen action of the hydrogen pump 9 prevented. Accordingly, the system efficiency of the fuel cell system becomes 100 improved.

Zusätzlich wird festgestellt, ob das Abdampfgas kurzzeitig oder kontinuierlich erzeugt wird, weil festgestellt wird, ob das Abdampfgas während mehr als der gegebenen Zeit in die Leitung 105 einströmt. Deshalb kann eine Störung der Heizvorrichtung 15 rasch entdeckt werden. Es wird somit verhindert, daß eine große Menge des flüssigen Wasserstoffs verdampft, und der unerwartete Verbrauch von Wasserstoff wird verhindert.In addition, it is determined whether the exhaust gas is generated momentarily or continuously, because it is determined whether the exhaust gas for more than the given time in the line 105 flows. Therefore, a malfunction of the heater 15 be discovered quickly. Thus, a large amount of the liquid hydrogen is prevented from evaporating, and the unexpected consumption of hydrogen is prevented.

Falls das Abdampfgas nicht länger als während der gegebenen Zeit in die Leitung 105 einströmt, läuft die Wasserstoffpumpe 9 mit der üblichen Drehzahl ohne Stopp der Aktion der Heizvorrichtung 15, und die Brennstoffzelle 3 setzt die Erzeugung elektrischer Leistung stabil fort.If the exhaust gas does not enter the line for longer than the given time 105 flows in, the hydrogen pump is running 9 with the usual speed without stopping the action of the heater 15 , and the fuel cell 3 continues stable generation of electric power.

Die obige Ausführungsform schließt ein, jedoch nicht auf den Fall beschränkt, daß eine Störung der Heizvorrichtung 15 festgestellt wird, daß beim Schritt S4 festgestellt wird, daß der Gasdruck in der Leitung 105 höher ist als der gegebene Gasdruck. Beispielsweise kann festgestellt werden, daß beim Tank 6 für flüssigen Wasserstoff ein Fehler an der Wärmeisolierung auftritt, und es kann festgestellt werden, daß das Überdruckventil 14 defekt ist.The above embodiment includes, but is not limited to, the case where the heater malfunctions 15 it is determined that it is determined in step S4 that the gas pressure in the line 105 is higher than the given gas pressure. For example, it can be stated that the tank 6 for liquid hydrogen, a fault occurs in the heat insulation, and it can be determined that the pressure relief valve 14 is defective.

Bei der Ausführungsform entspricht der Tank 6 für flüssigen Wasserstoff dem Speicherabschnitt. Das Hauptventil 7 entspricht dem Brennstoff-Versorgungsabschnitt. Die Leitungen 104 und 105 und die Anode 3b entsprechen dem Wasserstoffkreislaufsystem. Das Überdruckventil 14 entspricht dem Abdampfgas-Versorgungsabschnitt. Die Wasserstoffpumpe 9 entspricht dem Wasserstoffumwälzabschnitt. Die Steuerung 20 umfasst die Mengensteuerung des Wasserstoffkreislaufs, den Ermittlungsabschnitt und den Störungserkennungsabschnitt gemäß den Ansprüchen. Der Druckfühler 11 entspricht dem Druckfeststellungsabschnitt. Die Heizvorrichtung 15 entspricht dem Flüssigkeitsverdampfungsabschnitt. Das Überdruckventil 14 entspricht dem zweiten Ventil. Das Wasserstoffauslaßventil 12 entspricht dem Auslaßabschnitt.In the embodiment, the tank corresponds 6 for liquid hydrogen the storage section. The main valve 7 corresponds to the fuel supply section. The wires 104 and 105 and the anode 3b correspond to the hydrogen circulation system. The pressure relief valve 14 corresponds to the exhaust gas supply section. The hydrogen pump 9 corresponds to the hydrogen circulation section. The control 20 includes the quantity control of the hydrogen cycle, the determination section and the failure detection section according to the claims. The pressure sensor 11 corresponds to the pressure detecting section. The heater 15 corresponds to the liquid evaporation section. The pressure relief valve 14 corresponds to the second valve. The hydrogen outlet valve 12 corresponds to the outlet section.

(Zweite Ausführungsform)Second Embodiment

Die 4 zeigt ein Schaltbild der Gesamtanordnung des Brennstoffzellensystems 100a gemäß einer zweiten Ausführungsform. Beim Brennstoffzellensystem 100a ist die Leitung 106 nicht mit der Leitung 105, sondern mit der Mitte der Anode 3b verbunden und unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Brennstoffzellensystem 100.The 4 shows a circuit diagram of the overall arrangement of the fuel cell system 100a according to a second embodiment. At the fuel cell system 100a is the lead 106 not with the line 105 but with the center of the anode 3b connected and different from that in 1 shown fuel cell system 100 ,

Der der Anode 3b zugeführte Wasserstoff wird für die Erzeugung elektrischer Leistung benutzt, wenn der Wasserstoff an der Anode 3b fließt, und die Dichte des Wasserstoffs nimmt nahe dem Auslass der Anode 3b ab. Demgemäß wird die elektrische Leistung in der Brennstoffzelle 3 nicht gleichmäßig erzeugt.The anode 3b supplied hydrogen is used for generating electrical power when the hydrogen at the anode 3b flows, and the density of hydrogen decreases near the outlet of the anode 3b from. Accordingly, the electric power in the fuel cell becomes 3 not evenly generated.

Das Abdampfgas wird bei der Ausführungsform in der Mitte der Anode 3b zugeführt, und die Verringerung der Wasserstoffdichte auf der Auslaßseite der Anode 3b wird beschränkt. Demgemäß wird die elektrische Leistung in jedem Bereich der Brennstoffzelle 3 im wesentlichen gleich erzeugt. Die Verbindungsposition der Leitung 106 und der Anode 3b ist nicht begrenzt, wenn die Leitung 106 mit der Mitte der Anode 3b verbunden wird.The exhaust gas is in the middle of the anode in the embodiment 3b supplied, and the reduction of the hydrogen density on the outlet side of the anode 3b is limited. Accordingly, the electric power becomes in each area of the fuel cell 3 generated substantially the same. The connection position of the line 106 and the anode 3b is not limited when the line 106 with the middle of the anode 3b is connected.

Beim Brennstoffzellensystem 100a ist gemäß der Ausführungsform der Ausstoß des Abdampfgases zur Außenseite behindert. Es ist deshalb nicht erforderlich, eine weitere Behandlungsvorrichtung, wie die Verdünnungsvorrichtung, für das nach außen abströmende Abdampfgas vorzusehen. Demgemäß wird die Konstruktion des Brennstoffzellensystems 100a vereinfacht. Es ist möglich, das Abdampfgas in dem von den Leitungen 104 und 105 und der Anode 3b gebildeten, abgedichteten Raum einzuschließen, wenn die Brennstoffzelle 3 keine elektrische Leistung erzeugt, und die Brennstoffzelle 3 kann bei der nächsten Erzeugung elektrischer Leistung das Abdampfgas als Brennstoff benutzen. Es ist deshalb möglich, den Verlust an Wasserstoff zu begrenzen. Demzufolge ist es möglich, die Verringerung der Energieeffizienz des Brennstoffzellensystems 100a zu verhindern.At the fuel cell system 100a According to the embodiment, the ejection of the exhaust gas to the outside is hindered. It is therefore not necessary to provide a further treatment device, such as the dilution device, for the outwardly flowing exhaust gas. Accordingly, the construction of the fuel cell system becomes 100a simplified. It is possible for the exhaust gas in the from the lines 104 and 105 and the anode 3b enclosed sealed space when the fuel cell 3 no electric power generated, and the fuel cell 3 may use the exhaust gas as fuel at the next generation of electric power. It is therefore possible to limit the loss of hydrogen. As a result, it is possible to reduce the energy efficiency of the fuel cell system 100a to prevent.

Claims

Fuel cell system ( 100 characterized in that it comprises: a storage portion (3) storing liquid hydrogen ( 6 ), a hydrogen fuel cell using fuel gas ( 3 ), a fuel supply section that supplies hydrogen gas to an anode of the fuel cell, the hydrogen gas being generated by evaporation of the liquid hydrogen stored in the storage section, a hydrogen circulation system including the anode of the fuel cell, an exhaust gas supply section, the exhaust gas resulting in the storage section Supplying hydrogen circulation system; and a heating device ( 15 ) which controls the temperature of the storage section; wherein the hydrogen circulation system comprises a hydrogen circulation section that circulates the hydrogen in the hydrogen circulation system, the position of the hydrogen circulation system where the exhaust gas is supplied from the exhaust gas supply section to the hydrogen circulation system upstream of the hydrogen circulation section in the hydrogen circulation system and downstream of the anode.

A fuel cell system according to claim 1, characterized in that the exhaust gas supply section has a first valve which supplies the exhaust gas to the hydrogen circulation system when the pressure of the exhaust gas is larger than a threshold value.

Fuel cell system according to one of claims 1 or 2, characterized in that the Abdampfgas supply section has a second valve which prevents a reflux of the exhaust gas from the hydrogen circulation system in the storage section.

A fuel cell system according to claim 1, characterized in that the hydrogen circulation system has an outlet portion located upstream of the hydrogen circulation portion and downstream of the anode, and discharges gas from the hydrogen circulation system.

A fuel cell system according to claim 4, characterized in that the position of the hydrogen circulation system at which the exhaust gas is supplied from the exhaust gas supply section to the hydrogen circulation system is arranged upstream of the hydrogen circulation section and downstream of the outlet section.

Fuel cell system ( 100a characterized in that it comprises: a storage portion (3) storing liquid hydrogen ( 6 ), a hydrogen fuel cell using fuel gas ( 3 ), a fuel supply section that supplies hydrogen gas to an anode of the fuel cell, the hydrogen gas being generated by evaporation of the liquid hydrogen stored in the storage section, a hydrogen circulation system including the anode of the fuel cell, an exhaust gas supply section, the exhaust gas resulting in the storage section Supplying hydrogen circulation system; and a heating device ( 15 ) which controls the temperature of the storage section; wherein the hydrogen circulation system has a hydrogen circulation section that circulates the hydrogen in the hydrogen circulation system, the position of the hydrogen circulation system where the exhaust gas from the exhaust gas supply section is supplied to the hydrogen circulation system is in the center of the anode.

Fuel cell system according to claim 1 or 6, characterized in that it further comprises: a pressure detecting section that detects the pressure in the hydrogen cycle system, and a determination section that determines whether the exhaust gas is supplied to the hydrogen circulation system when a value detected by the pressure detection section is greater than a threshold value.

Fuel cell system according to claim 7, characterized in that the Pressure detection section is provided downstream of the hydrogen circulation section and upstream of the anode.

Fuel cell system according to one of claims 7 or 8, characterized in that it further comprises a control for the recirculation flow rate of the hydrogen which controls the flow of the hydrogen flowing in the hydrogen circulation system.

Fuel cell system according to claim 9, characterized in that the hydrogen circulation section is a hydrogen pump, and the controller for the circulation flow rate of the hydrogen controls the rotation speed of the hydrogen pump when the determination section determines that the exhaust gas is supplied to the hydrogen circulation system.

A fuel cell system according to claim 10, characterized in that the control of the circulation flow rate of the hydrogen controls the hydrogen pump so as to reduce the rotational speed of the hydrogen pump when the determining section determines that the exhaust gas is supplied to the hydrogen circulation system.

A fuel cell system according to any one of claims 7 to 11, characterized in that it further comprises a malfunction detecting section which determines that the storage section is disturbed when the value detected by the pressure detecting section is larger than the threshold value for a given time.

A fuel cell system according to claim 12, characterized in that the fuel cell system has a controller that controls a power supply to the heater and stops the power supply of the heater when the fault detection section determines that there is a failure of the storage section.